Устройство для измерения электрической энергии

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при построении счетчиков электрической энергии многофазной сети. Целью изобретения является расширение области применения путем измерения реактивной электроэнергии многофазной сети и повышение точности. В устройство, содержащее N измерительных преобразователей 2.1-2.N тока и напряжения 1,1-N, мультиплексоры 3,4, блок 5 определения знака, аналого-цифровой преобразователь 6, включающий регистр 7 последовательных приближений, цифроаналоговый преобразователь 8 и компаратор 9, блок 10 обработки информации, источник 11 опорного напряжения и блок 12 выработки и хранения, дополнительно введены блок 13 умножения частоты, счетчик 14, комбинационный сумматор 15, блок 16 памяти, цифроаналоговый преобразователь 17, блок 18 выработки-хранения и логический элемент 19. Повышение точности достигнуто за счет синхронизации преобразования мощности с началом периода контролируемой сети блоком 13. Вновь введенные блоки позволяют сформировать в блоке 16 памяти сдвинутые на четверть периода значения напряжения, при перемножении которых на значения тока, взятые без сдвига во времени, получают величину реактивной мощности. Сдвиг на четверть периода осуществляется с помощью счетчика 14, комбинационного сумматора 15 и логического элемента 19, которые соответствующим образом формируют адреса записи данных, поступающих на вход блока 16 памяти. 3 ил.

„„$0„„15962

СОЮЗ COBEFCHHX

С(М4ИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51)5 С О1 R 22/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ. И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1257542 (21) 4418428/24-21 (22) 04,04,88 (46) 30 ° 09Ф90оВюпе 1! 36 (71) Институт электродинамики

АН УССР (72) А,И.Покрас, С,Г,Таранов и Ю,Ф.Тесик (53) 621,317.38 (088,8) (56) Заявка ФРГ У 2630959, кл, G 01 R 11/00, 1978, Авторское свидетельство СССР

У 1257542, кл. G Ol R 22/00, 1985, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при построении счетчиков электрической энергии многофазной сети, Целью изобретения является

2 расширение области применения путем, .измерения реактивной электроэнергии многофазной сети и повышение точности, В устройство, содержащее и измерительных преобразователей 2 ° 1-2,п тока и напряжения 1.1-п мультиппек- соры 3,4, блок 5 определения знака, аналого-цифровой преобразователь 6, включающий регистр 7 последователь-. ных приближений, цифроаналоговый преобразователь 8 и компаратор 9, блок 10 обработки информации, источник !1 опорного напряжения и блок

12 выборки и хранения, дополнительно введены блок 13 умножения частоты счетчик 14, комбинационный сумматор

15, блок 16 памяти, цифроаналоговый преобразователь 17, блок 18 выборкихранения и логический элемент 19, Повышение точности достигнуто за счет синхрониз ации преобразования

1 596 264 мощности с началом периода контро- 4 лнруемой сети блоком 13, Вновь введенные блоки позволяют сформировать в блоке 16 памяти сдвинутые на четверть периода значения напряжения, при перемножении которых на значения тока, взятые без сдвига во времени, получают величину реактивной мощИзобретение относится к электроиэмерительной технике и может быть I5 использовано при построении счетчиков электрической энергии многофаз ной сети, Цель изобретения - расширение области применения путем измерения реактивной электроэнергии многофазной сети и повышение точности

На фиг, l приведена блок-схема устройства; на фиг,2 (а-b) и 3 (а-Ъ) алгоритмы работы блока обработки ин-, формации, Устройство для измерения активной и реактивной электрической энергии (фиг, 1) содержит измерительные преобразователи 1 ° I- I.n напряжения, измерительные преобразователи 2, 12,п тока (например, трансформаторы напряжения и трансформаторы тока) мультиплексоры 3 и 4, блок 5 определения знака, аналого-цифровой преобразователь 6, вкпючакиций регистр 7, последовательных приближений, цифроаналоговый преобразователь 8 и компаратор 9, блок 10 обработки инфор- 40 мации, источник 11 опорного напряжения, блок 12 выборки и хранения, блок 13 умножения частоты, счетчик

14, комбинационный сумматор 15, блок

16 памяти, второй цифроаналоговый преобразователь 17, второй блок 18 выборки и хранения информации и логический элемент 19, Выходы измерительных преобразователей I,l-l,п и измерительных преобразователей 2, 1-2,п подключены к входам мультиппексоров 3 и 4 соответственно, выход мультиплексора 3 подключен к входу блока 5 определения знака (например, компаратор с

55 нулевым порогом срабатывания) и к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, информационные выходы регистра 7 последовательных приблиности. Сдвиг на четверть периода осуществляется с помощью счетчика 14, комбинационного сумматора 15 и логического элемента 19, которые соот.ветствующим образом формируют адреса записи данных, поступающих на вход блока 16 памяти, 3 ил. жений поцключены к входам цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 8, выход которого подключен к второму входу компаратора 9, первый вход ко" торого является входом АЦП 6, выход компаратора 9 подключен к информационному входу регистра 7 последователь" ных приближений информационные выхо9 ды которого являются информационными выходами АЦП 6 и подключены к информационным входам блока 10 обработки информации, причем вход "Старт" регистра последовательных приближений соединен с третьим выходом блока 10 обработки информации, второй вход которого подключен к выходу

"Завершение преобразования" регистра 7 последовательных приближений к входу опорного напряжения ЦАП 8 подключен выход мультиплексора 4, к дополнительному входу которого подключен выход источника опорного напряжения, к входу которого подключен выход блока 5 определения знака, выход которого подключен также к входу блока обработки информации, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам мультиплексоров 3 и 4 соответственно, пятый выход блока 10 обработки информации подключен к управлякщему входу блока 12 выборки и хранения, выход которого подключен к первому дополнительному входу мультиппексора 3, к другому входу блока 12 выбор" ки-хранения подключен выход ЦАП 8, выход измерительного преобразователя

1,1 соединен с входом блока 13 умножения частоты, выход которого соединен с четвертым входом блока IO обработки информации, выход счетчика

14 соединен с входом комбинационного сумматора 15, выход которого соединен с адресными входами блока 16 памяти, управляющий вход которого

6 264 6

40

5 159 подключен к четвертому выходу блока

10 обработки информации, информационные входы блока 16 памяти подключены к информационным выходам АЦП 6, а информационные выходы — к информационным входам ЦАП 17, вход опорного напряжения которого подключен к выходу мультиплексора 4, а выход — к входу блока 18 выборки-хранения управляюУ щий вход которого подключен к пятому выходу блока 10 обработки информации и к входу счетчика 14, а выход соединен с вторым дополнительным входом мультиплексора 3, второй выход . блока 10 обработки информации подключен к входу логического элемента

19, выход которого соединен с вторым входом комбинационного сумматора 15.

Устройство работает следукщим об разом, Один цикл работы устройства соответствует одному периоду следования импульсов на выходе блока 13 умноже" ния частоты, который синхронизирует работу блока 10 обработки информации. Период следования выходных импульсов блока 13 умножения частоты равен Т /К, где Тс - период напряжения на выходе измерительного преобразователя 1, 1, а К .- коэффициент. умножения частоты, В течение каждого цикла работы устройства с помощью мультиплексоров 3 и 4 производится опрос и измерительных преобразовате- лей напряжения и тока соответственно, После приема синхронизирующего иьптульса с выхода блока 13 умножения частоты блок 10 обработки информации вырабатывает адрес, поступающий на входы управления мультиплексоров 3 и 4, В результате этого выходной сигнал измерительного преобразователя

1,1 напряжения через мультиплексор 3 поступает на вход блока 5 определения знака и на вход АЦП 6 (первый вход компаратора), а выход источника опорного напряжения через мультиплек-, сор 4 подключается к входам опорного напряжения ЦАП 8 и ЦАП 17. Блок 5 определения знака переключает источник 11 опорного напряжения на полярность, соответствующую полярности входного преобразователя 1.1 °

Затем блок 10 обработки информации вырабатывает импульс, который поступает на стартовый вход регистра

7 последовательных приближений, в результате чего входное напряжение преобразователя 1, 1 преобразуется в цифровой код, По окончании преобразования блок 10 обработки информации принимает сигнал о завершении преобразования с выхода "Завершение преобразования" регистра 7 последовательных приближений и сигнал знака измеряемой величины преобразователя

1.1 с выхода блока 5 определения знака, Далее блок 10 обработки информации выдает импульс записи на управляющий вход блока 16 памяти, в результате выходной код АЦП 6 который соответствует напряжению на выходе измерительного преобразователя 1,1, записывается в ячейку памяти блока 16 памяти, При этом адрес ячейки опреде20 ляется кодом на выходе комбинационного сумматора, который равен сумме кодов на выходе счетчика 14 и логического элемента 19. Объем памяти М блока памяти определяется количест25 вом входных измерительных преобразо-,, вателей и и коэффициентом умножения частоты К блока 13 умножения частоты и равен М = n К, обеспечивая воэмож-ность записи кодов напряжений с выхо30 дов измерительных преобразователей

l, l-l,п за К циклов измерения в течение одного периода напряжения на выходе преобразователя 1, 1. Если на управляющем входе мультиплексора 4

35 содержится код, соответствующий выдаче на его выход опорного напряжения с выхода источника 11 опорного напряжения, то на выходе логического элемента 19 формируется код М/4, Во всех остальных случаях код на выходе логического элемента 19 равен нулю. Таким образом, после 1-го импульса с выхода блока 13 умножения частоты при подключении прего измерительного преобразователя напряжения к выходу мультиплексора 3 и подключении выхода источника 11 опорного напряжения к выходу мультиплексора 4 на адресных входах блока 16 памяти форми50 руется код P=l n + m + М/4, где P— адрес ячейки блока 16 памяти, в которую записывается код напряжения с

m-го измерительного преобразователя напряжения на 1-м цикле измерения

55 (номер цикла измерения равен порядковому номеру импульса, поступившего . с блока 13 умножения частоты с на- чала периода напряжения на выходе измерительного преобразователя 1, 1);

1596 264

1 номер цикла измерения, 0 1

<(К-1); и — количество входных измерительных преобразователей напряжения; m - номер опрашиваемого измерительного преобразователя напряжения; 1

1 n + m. Полная перезапись всех ячеек памяти блока 16 памяти осуществляется в течение одного нерио- 15 да напряжения на выходе измерительного преобразователя 1, 1, Поэтому сдвиг +М/4 в области адресов блока

16 памяти при записи в него кодов напряжения с выходов преобразовате- 20 лей 1. 1-!,п соответствует сдвигу

+Т /4 во временной области, так как при последующем чтении ячеек блока .16 памяти этот сдвиг в области адрес о в р авен нулю, Далее блоком 10 обработки информации вырабатывается адрес, поступающий на управлякщие входы мультиплексора 4. В результате выходной сигнал преобразователя 2.1 подключается к входам опорного напряжения ЦАП 8 и

ЦАП 17, На выходе ЦАП 8 появляется аналоговое напряжение, пропорциональное произведению цифрового кода нап- ряжения измерительного преобразовате35 ля 1. 1 напряжения и аналогового сигнала с выхода измерительного преобразователя 2, l тока, т,е,. сигнал, пропорциональный мгновенной активной мощности P (t) = П, (t) i „(t) . Одновременно с этим на выходе ЦАП 17 появляется аналоговое напряжение, пропорциональное произведению цифрового коДа с выхоДа блока 16 памяти и ана- 45 логового сигнала с выхода измерительного преобразователя 2, 1 тока, Сдвиг в области адресов блока 16 памяти равен нулю, поэтому на его выходе появляется к(д напряжения измерительно-го преобразователя 1 ° 1, который сдвинут на -T /4 относительно текущего

C значения тока, Таким образом, сигнал на выходе ЦАП 17 пропорционален мгнове иной ре акти вной мощно сти q, ()

= П,gt-Тс/4) i (й) . Блок 10 обработки информации вырабатывает управляющий сигнал, в результате чего выходные аналоговые напряжения ЦАП 8 и .

ЦАП 17 запоминаются в блоках выборки и хранения 12 и 18 соответственно, а к выходному коду счетчика 14 прибавляется единица, После этого блок 10 обработки информации вырабатывает адрес, поступающий на управляющие вхбды мультиплексоров 3 и 4, В результате выходной сигнал блока 12 выборки-хранения через мультиплексор 3 поступает на вход блока 5 определения знака и на вход АЦП 6, а выход источника 11 опорного напряжения через мультиплексор 4 подключается к входу опорного напряжения ЦАП 8 и входу опорного, напряжения ЦАП 17 ° Блок 5 переключает источник опорного напряжения на полярность, аналогичную полярности сигнала блока 12 выборки и хранения.

Блоком 10 обработки информации вырабатывается сигнал,. поступающий на стартовый вход регистра 7 последовательных приближений, в результате чего выходной сигнал блока 12 выборки-хранения преобразуется в цифровой код, После получения сигнала о завершениии преобразования с выхода регистра

7 последовательных приближений блоком 10 обработки информации принимается код, пропорциональный измеренной активной мощности, а также сигнал знака с выхода блока 5 определения знака, соответствующий полярности измеренного тока.

Блоком 10 обработки информации определяется значение расхода активной энергии, Значение активной энергии за некоторый промежуток времени определяется по выражению

1 t ид- $i(t) u (t)dt = $P(t)dt, () 0 где P(t) — мгновенное значение мощности, снимаемое с выхода блока 12 выборки и хранения, Так как в предлагаемом устройстве производится преобразование информации в цифровом виде, то расход активной энергии за время Т определяется

vA Т„2 и,(Т„), C--a где К Тс/Т < - коэффициент умножения частоты входного сигнала;

1596 264

Т - шаг дискретизации

Ч (время цикла измерения);

N (1 ТЧ ) - кодовое значение мгно- 5 венной мощности в момент времени 1 Т„, Суммирование кодовых значений мгновенной мощности осуществляется с учетом знака в блоке 10 обработки информации, После этого блоком 10 об работки информации вырабатывается адрес, поступающий на управляющие входы мультиплексоров 3 и 4, В результате этого выходной сигнал блока

18 выборки и хранения поступает на вход АЦП 6 (первый вход компаратора 9 ) и на вход блока 5 определения знака, а выход источника 11 опорного напряжения по-прежнему подключен -через мультиплексор 4 к входу опор-ного напряжения ЦАП 8 и входу опорного напряжения ЦАП 17,Блок 5 опреде.ления знака переключает источник опорного напряжения на по- 25 лярность, аналогичную полярности сигнала блока 18 выборки и хранения, Блок 10 обработки информации выдает сигнал на стартовый вход регистра 7 последовательных приближений, в результате чего сигнал блока 18 выборки и хранения преобразуется в циф" ровой код, Блок 10 обработки информации получает сигнал о завершении преобразования с выхода регистра 7 последователь" ных приближений и принимает. код, пропорциональный измеренной реактивной мощности, а также сигнал знака с выхода блока 5 определения знака. 40

Далее блоком 10 обработки информации определяется значение реактивной энергии. Значение реактивной энергии за промежуток времени Т для синусоидапьного напряжения с перио- 45 дом Cс определяется выражением

Ы = J i(t)u(t — Т,/4) at = о

J q(t) dt, о где q(t) - мгновенное значение реактивной мощности, снимаемое с выхода блока 18 выборки и хранения, 55

Выражение для реактивной энергии за время Т записывается в цифровом виде следующим образом:

K-4

W =Т„iN,,17„), C=e где N (1 Т ) — кодовое значение мгновенной мощности в момент времени 1 Тц, Суммирование кодов мгновенной мощности дает в итоre значение. реактивной энергии, После этого управляющим сигналом блока 10 обработки информации блоки 12 и 18 выборки и хранения переводятся в режим выборки, Измерение активной и реактивной электрической энергии по другим измерительным каналам осуществляется ан ало гично, Все действия блока 10 обработки информации отражены в двух вариантах алгоритма, Первый вариант алгоритма (фиг,2) предусматривает прием блоком

10 обработки информации сигнала о завершении преобразования с выхода регистра 7 последовательных приближений (операции 6, 14, 23 первого варианта алгоритма). Во втором вари- ., анте алгоритма (фиг.3) не предусматривается прием блоком 10 обработки информации сигнала "Завершение преобра- зования" с выхода регистра 7 последовательных приближений. Предполагается, что за время чтения и запоминания знака напряжения или тока (операции 5, 12, 20 второго варианта алгоритма ) аналого-цифровой преобразователь 6 завершит преобразование входной аналоговой величины в цифровую, !

Таким образом, в устрой ст ве расширена область применения и повышена точность измерения активной мощности, Расширение области применения обусловлено тем, что наряду с измерением активной электроэнергии можно измерять и реактивную, что позволяет получать более полную информацию об энергетических процессах в многофазных сетях, Устройство также может быть использовано либо для измерения активной энергии, либо для измерения реактивной энергии. Повышение точности обусловлено тем, что моменты взятия выборок напряжений и токов во всех п фазах жестко синхронизированы с периодом напряжения первой фазы (выходной сигнал измерительного преобразователя 1„1), Это позволяет повысить точность измерения мгновенной активной и реактивной мощности, 11 1596264

Формула изобретения

BTopblM вьходом блока обработки инфор" мации, выход комбинационного сумматора соединен с адресным входом блока памяти, управлякщий вход которого соединен с четвертым выходом блока обработки информации, информационный вход блока памяти подключен к выходу регистра последовательных приближений, а выход - к информационному входу второго цифроаналогового пре образователя, вход опорного напряжения которого подключен к выходу второго мультиплексора, а выход - к входу второго блока выборки и хранения информации, управлянщий вход . которого соединен с входом счетчика и с управляющим входом первого блока выборки и хранения информации, а выход соединен с вторым дополнительным входом первого мультиплексора, 1

НАЧАЛО и гв ф

Снятие сигнала СТАРТ

Х

Чтение и запоминание знака напряжения

Фиг.2а

Устройство для измерения электрической энергии по авт,св,Р 1257542, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения и повышения точности, в него введены блок умножения частоты, счетчик, комбинационный сумматор, блок памяти, второй цифроаналоговый преобразователь, второй блок выборки и хранения и логический элемент, причем выход первого измерительного преобразова тепя напряжения соединен с входом блока умножения частоты, выход которого соединен с четвертым входом блока обработки информации, выход счетчика соединен с входЬм комбинационного сумматора, второй вход которого 20 через логический элемент соединен с

Инициализация переменных

I. Ход счетчика

2. Адрес значения счетчиа г

Выдача кода канала напря жения на мультиплексор

Вццача кода канала оподного напряжения на мульФи плек сор

Л

Выдача сигнала СТАРТ на регистр 7 последовательных приближений б

Прием сигнала "Заверпение преобразования" с выхода регистра 7 последовательных приближений

1 б

Выдача сигнала записи . кода напряжения в блок I6 памяти

Выдача кода канала тока на мультиплексор 4

Временная задержка для аналогового умйоженйя

Выдача сигнала ХРАНЕНИЕ на блоки 12и IS выборки и. храненияи на счетный вход счетчика I4

Выдача кода канала блока I2 выборки и хранени на мультиплексор 3

Выдача кода канала опо ного напряжения на муль типлексор 4

1596264

4 гп

27

Фиг. ге

10

Ю

15 нак

+ 1> ппоиэведения напряжения и тока

1У

Выдача кода канала блока

IU выборки и хранения на мультиплексор 3

Выдача кода канала спорого напряжения на мульиплексор 4 гп

Выдача сигнала СТАРТ на регистр 7 последовательных приближений

21

Снятие сигнала СТАРТ гг

Чтение знака тока определение знака произведения напряженияи тока

Л

Прием сигнале "Завершение преобразоврния" с выхода регистра 7 последовательных приближений

24

Чтение и запоминание мгно венной мощности

Модификация переменных

I. Код счетчика

2, Адрес значения счетчи

2б

Выдача сигнала ВЫБОРКА на блоки I2 и IB выборки и хранения а сигнала СТАРТ гистр 7 последоваых приближений

1г

Снятие сигнала СТАРТ

Чтение знака тока

Определение знака произведения напряжения и тока

14

Прием сигнала "Заверпение преобразования" с выхода регистра 7 последовательных приближений

t5

Чтение и запоминание ко1в мгновенной мощности

17

Прибавление значе ния мгновенной мо ности к накопленному значен

1В

Вычитание эначени мгновенной моп1ности иэ накопленного эначенщ

1596264

НОЧППО

Инициализация перемени

I. Код счетчика

2. рес значения счетчи ача кода канала на— ряжения на мултиплекс ор

Выдача сигнала СТАРТ на регистр последователь ных приближений ф

Снятие сигнала СТАРТ

Чтение и запоминание знака напряжения

Е

Выдача сигнала записи года на.".ряжения в блок

j6 памяти

Выдача кода канала тока юа мультиплексор 4

Фиг.ЮО г

tz

73 чтение и запоминание мгн . ленной мощности

Знак

14 оиэведе я н пряжения и тока!

Вьдача кода квнела блока IB выборки и хранения

wa мультиплексор 3

Юцлачэ кода канале опор: ного напряжения на муль типлексор 4

1$

Прибавлению эначения мгновежной мощности к нэиопленномуэначению

Вычитание значения мгновенной мощности иэ накопленного эначени

Временная задержка для вВныдалогового УмнУ g на блоки"В и 18 выоовки и хранения и на счет ый вход счетчика I4

Выдача кода канала блока I2 выборки и х анени на мультиплексор

Выдача кода канала опорного напряжения на мультиплексор 4

Выдача сигнала СТАРТ на регистр последовательных приближений И

Снятие сигнала СТАРТ

17

Чтение знака тока

Определение знака произведения напряжения и тока

1596264

Составитель С,Хромов

Редактор Н. Горват Техред Л,Олийнык Корректор О, Кравцова

Заказ 2907 Тираж 543 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101